什么是波束成形？

波束成形（Beamforming）是指一种通过形成并定向调控电磁波束（如无线信号），来为天线构建空间分集的过程。波束成形的核心在于天线-接收器系统中创建和调控波束，并将能量引导至特定方向的接收器，同时避免能量向其他方向逸散。

如果没有波束成形技术，诸如射频波之类的电磁信号将从发射器向四周无控制地扩散，从而导致目标接收器的信号精度下降且信噪比偏低。

波束成形与波束控制密切相关。虽然这两个术语常被交替使用，但波束成形会形成铅笔状的波束，并将其指向给定的方向，而波束控制则会持续更新波束特性，以追踪接收设备的移动并响应环境变化。

波束成形通过控制天线阵列中多个信号源的相位与幅值，生成单个集中波束或同时生成多个波束。

相位与幅值是在每个信号流的层级上施加的，该层级可以是单个天线，也可以是多个天线组合形成的子阵列节点。

为了实现波束控制，调节各独立信号源（天线）辐射信号，使其在目标方向上叠加，从而增强辐射能量，同时在其他方向上形成零陷（null）。零陷出现在辐射能量极低的方向，代表接收阵列在这些方向上的灵敏度几乎为零。

波束形成与控制三要素：

• 空间信号处理：分析初始信号的空间特性与相对相位。
• 信号调整：根据初始分析结果，动态调整每个天线的增益与相位。
• 信号组合：将来自每个天线单元的信号组合在一起，形成指向接收器的聚焦波束。其他方向的干扰也可以在此阶段消除。

发射器和接收器协同工作，因此接收器在接收信号的方式和时序方面同样发挥着重要作用。接收器可以通过延迟到达阵列中各天线的单个信号，来控制天线系统的灵敏度。控制信号的时延等同于控制其相位，因为频域中的相位类似于时域中的时延。通过控制时延/相位，可以将波前方向更改为目标方向，并实现最大程度的叠加。

此外，通过调节接收信号的幅值，可控制各天线单元强度（增强或减弱），从而通过抑制阵列方向图的旁瓣来减少传输到非目标方向的能量，以减少能量向非目标方向传递。这样，就可以在提升目标方向的信号强度和质量的同时，削弱非目标方向的信号，从而减少阵列在发射模式下与其他RF系统发生干扰的几率，并降低其对目标信号源以外方向潜在干扰源的敏感度。对于采用大量天线的大型相控阵列系统，该技术尤为重要，此类系统利用多波束技术同时追踪和处理多个无线用户和通信系统。

有多种波束成形技术被用于生成、控制和定向聚焦的能量波束。

窄带波束成形

窄带波束成形是较为简单的技术之一。它采用非常特定的单一频率，在该中心频率下形成一个定义明确的波束，并假设该波束特性在所有天线单元处都是相同的。该技术通常用于声纳技术和窄带通信系统。

宽带波束成形

宽带波束成形的控制难度更大，因为其频率覆盖更宽的频段，其中单一相移会显著模糊信号波束。对于进入天线的信号，需要通过改变相位或频率来调整其带宽。如果没有调整，可能会影响相控阵列中单元的有效间距，导致波束偏斜（一种可能使波束意外改变方向的现象）。如果发射器端无法控制带宽，则会发送宽带信号（通常仍以中心频率为目标），而接收器端的下游信号处理需要补偿带宽。宽带波束成形通常用于雷达系统和MU-MIMO波束成形通信系统。

迫零波束成形

迫零波束成形的核心是零陷控制（null steering），通过消除其他信号来减少干扰。零陷位置作为波束成形条件的约束条件，用于生成适当波束成形信道相位，当信号叠加时，可在该方向形成合成信号抵消，从而实现零陷。零陷会被整合到应用于阵列中每个单元的所有相位条件中。该技术通常用于阻止人们干扰全球定位信号，尤其是在军事和国防领域。

自适应波束成形

自适应波束成形通过动态调整相控阵列的方向图来增强信号传输。其能实现噪声最小化与目标信号最大化。这种波束成形技术广泛应用于5G网络。在采用自适应波束成形的通信中，会商定一个标准信号，并以规律间隔（如每毫秒）通过宽带频率发送导频信号，同时接收器会估计整个频段内的信道状况。

混合波束成形

混合波束成形是模拟波束成形与数字波束成形的结合。混合波束成形在大型阵列中同时采用模拟和数字两类组件。该技术也广泛用于5G和毫米波（mmWave）通信系统，在这些系统中，模拟发射器发送信号，而数字接收器则将接收到的信号作为数字信号进行处理。混合波束成形可在各子阵列上应用模拟波束成形，使其指向不同的固定方向，并将信号合并后送入较少数量的数字接收器，从而降低数字处理的复杂性。通过这种方式，系统可以让数字接收机专注于处理特定空间区域内的信号。与全数字波束成形系统相比，混合波束成形方法能以更低的成本和复杂性实现更高的数据速率。

尽管波束成形在许多基于通信和传感器的应用中都至关重要，但与任何技术一样，其既存在优势，也有局限性。

波束成形的优势

• 提供高空间控制能力，使能量集中于目标方向，避免能量浪费（即避免在没有接收器的位置浪费能量）。
• 实现相控阵列中的多波束控制。
• 对无线信号（射频波）进行精确的波束成形与定向控制，为不同通信系统提供高速度、低延迟连接。
• 为发射器提供一种将波束聚焦于多种设备的方法，包括物联网（IoT）设备、移动设备和车辆。
• 为国防应用提供低探测性和抗干扰能力。
• 支持频谱重复使用，以形成多个波束。
• 在多源阵列系统中，增强单个发射器或接收器容错能力。

波束成形的局限性

• 作为复杂系统，其需要大量硬件组件，包括放大器、移相器、转换器和数字信号处理单元。
• 波束成形技术（尤其是数字波束成形技术）成本较高，但随着硬件成本的下降，其价格也在降低。
• 在不断变化的环境中，其适应性约束可能会导致不利影响。
• 数字波束成形中，高级波束成形算法的计算成本高昂。
• 在运行过程中可能会发生波束倾斜和自零陷（self-nulling）现象。

随着当今不同类型波束的广泛应用——从光波到射频及其他电磁波，波束成形技术已遍及众多行业和领域。

医疗应用

磁共振成像（MRI）中采用的波束成形技术，由于降低了噪声，可生成更高清晰度的图像。在MRI中，各个换能器呈放射状分布在患者周围。波束成形技术将来自各传感器的信号相结合，以生成高分辨率图像。通过掌握所有换能器的位置，系统可以选择性地与成像环境交互，从而确定最终图像中要包含哪些元素。

除医学成像外，波束成形还可用于治疗癌症患者。许多癌症治疗会使用相控阵列产生的辐射束（放射疗法）。这些疗法可以利用阵列中的多个辐射源，使粒子束汇聚于肿瘤部位。这样，狭窄的聚焦粒子束可以杀死癌细胞，同时避免损伤周围的健康细胞。

5G和下一代通信（NextG）

5G通信利用波束成形技术来聚焦基站和移动设备之间的射频波。在城市环境中，信号因地面和建筑物反射，可能会产生回波和噪声，从而影响接收器需解读的信号。波束成形有助于将这些波束聚焦到目标接收器，而不受环境干扰，避免信号向各个方向广播。该技术还支持频谱由多个用户重复使用，并确保用户获得高数据速率和良好的网络覆盖。

相控阵列天线已集成到众多平台和设备封装中，可用于最大化特定方向的能量辐射。上面的动画展示了HFSS软件中的动态波束控制，同时显示了天线在主机封装（host package）其他部件结构上产生的感应电流。

光学波束成形

光学波束成形用于多路复用器，通过在特定方向形成波束，实现信号传输，并在高数据率下切换至多个方向。该技术还可应用于卫星到地面的光学通信中，其中从近地轨道卫星向地面基站传输的光束可以得到非常精确的控制。

相控阵列天线在卫星通信和雷达应用中日益普及，以减少对机械转向的依赖，同时提升天线系统的灵活性。此HFSS软件仿真动画展示了包括与主卫星飞行器电磁相互作用的辐射方向图。

雷达

在雷达应用中，波束成形通过天线阵列中的不同天线聚焦于移动目标，并针对任何变化进行适应/调整。雷达通常可以预测目标的位置，因此可以将波束调整到不同点，以保持能量聚焦于目标。算法和反馈回路利用目标的历史轨迹数据来跟踪目标。

天线波束控制可应用于实际场景，通过更新信号增益方向，补偿主载体运动。此HFSS软件动画演示了天线波束成形的电磁耦合以及载体运动补偿功能。

在理想情况下，工程师希望在最终产品实现之前，尽可能减少物理测试。对天线及其工作环境进行虚拟仿真，有助于缩短物理迭代开发周期。这样就可以实现精确的天线设计，以至于只需构建一个原型，从而节省因原型失败所耗费的时间和资金。相比仅依靠物理测试，仿真还能解答更多有关设计的问题。

仿真可帮助：

• 测试天线设计是否符合工艺技术预期。
• 测试潜在的制造误差。
• 分析天线在真实场景中的性能表现，包括极端环境（如死亡谷或太空/空间环境）和应用场景（例如，将天线安装在军用飞机上以监控其性能，或部署于城市中以测试不同位置的无线网络覆盖）。
• 测试基础材料在不同条件下的物理特性和性质。
• 测试天线系统在单个信道发生故障时的性能渐进退化特性。这有助于制定维修策略和计划，以最大限度地减少对运行系统的影响。

以下Ansys工具可用于应对上述问题：

• Ansys HFSS高频电磁仿真软件：用于在器件和集成层面设计的高频技术，以及用于相控阵系统，其中会计算所有必要加权参数，以将波束聚焦到特定方向。
• Ansys Icepak电子冷却仿真软件：用于测量天线系统周围的热对流，并为该应用开发冷却系统。
• Ansys Fluent流体仿真软件：用于对液冷、气冷和水冷系统进行建模，以实现最佳运行状态，并防止晶体管和芯片烧毁。
• Ansys RF Channel Modeler高保真度无线信道建模软件：旨在将天线系统的数字孪生与大规模环境数字孪生相结合，研究RF阵列在真实场景中的运行情况。

当前，波束成形技术已显著提升众多天线系统的性能，而数字波束成形的进步正引领着下一代通信技术的发展。

这是因为，信号会尽快被转换为数字格式，然后高速数字处理器会生成多个波束，以搜索任意目标方向。只要有足够的基带处理能力，就可以为所有用户分别施加相位和幅度加权，使每个用户各自拥有独立的波束。

当前5G技术正受益于波束成形，而数字波束成形将有助于实现6G技术、更先进的雷达系统、多用户多输入多输出（mu-MIMO）波束成形和全息波束成形的发展。

如果您想了解如何运用不同的波束成形方法设计更先进的天线阵列和通信系统，欢迎立即联系我们的技术团队。

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